Novi materijali
Fulereni Harold W. Kroto (Sussex University, England), Richard E. Smalley (Rice University,
USA) i Robert E. Curl (Rice University, USA), sasvim slučajno su 1985. godine, među molekulima nastalim dejstvom laserskih zraka na grafit u inertnoj atmosferi, otkrili molekule ugljenika, koji su se sastojali 60 ugljenikovih atoma.
Zbog tog otkrića trojici navedenih naučnika dodeljena je Nobelova nagrada za hemiju 1996. godine.
Ta struktura imenovana je kasnije po ekscentričnom arhitekti Bakminister Fuler-u, koji je projektovao kupolu Geodezijskog doma za američki paviljon EXPO '67, koja je imala potpuno sličan izgled kao data struktura, zbog čega je i dobila naziv fuleren.
Danas, pored fulerena C60, poznata je cela familija fulerena (C70, C82,..., C540), koji predstavljaju kavezaste sferne molekule, koji pripadaju tzv. trećoj alotropskojmodifikaciju ugljenika
Najstabilniji predstavnik te familije molekula je molekul C60. Danas je definicijom fulerena obuhvaćena čitava familija zatvorenih, sfernih
ugljovodoničnih struktura, kaveza, mreža sa obaveznih 12 pentagona i neograničenim brojem heksagona.
Molekul C60 gradi kristalnu formu koja po svojoj simetričnosti spada u najviši rang uređenosti nekog sistema.
Kao individualni molekul, C60 čvršći je od dijamanta, međutim, kada kristališe, kristalna rešetka mu je meka skoro kao kod grafita.
Kako C60 ima osu petog reda, to su njegova struktura i energetska stanja određena osobina zlatnog preseka.
2
Iako vrlo stabilan, molekul C60 je neočekivano reaktivan, tako da je danas poznato više
od 6500 potpuno novih jedinjenja na bazi ovog molekula.
Detaljnija ispitivanja strukture pokazala su da je 60 atoma ugljenika raspoređenih po
površini klastera kružno, sa jednakom gustinom naelektrisanja.
Na tu činjenicu ukazivalo je postojanje jednog jedinog signala u 13C NMR spektru
3
Kavezi fulerena: a) C60 ,
b) C70 i c) LaC82
Strukturne transformacije fulerena mogu da se izvedu na nekoliko različitih načina,
koji obuhvataju: i) kovalentno vezivanje atoma ili molekula za fulerenski ugljenični
sferoidni skelet; ii) zamenu ugljenikovih atoma sa površine sfere drugim atomima
pri čemu se formiraju heterofulereni sa B, Si ili N; iii) stvaranje endohedralnih
kompleksa (u vakumski deo sfere fulerena ugrađuju se elementi, joni ili radioaktivni
izotopi) i iv) formiranje međumolekulskih interkalarnih veza (superhemijske veze.
Moguće primene Zbog svojih izuzetnih osobina (sposobnosti ugradnje katjona, posebno katjona
radioaktivnih elemenata, superprovodljivosti, hemijske inertnosti), fulereni danas
imaju brojne primene u medicini.
Primera radi, radioaktivni elementi zarobljeni u fulerenskim kavezima pogodni su
za kreiranje specifičnih nosača lekova za ciljanu terapiju malignih oboljenja kostiju
i nekih mekih tkiva.
Da bi zbog svoje hidrofobnosti, mogao nesmetano da cirkuliše unutar telesnih
fluida, neophodno je površinu fulerena funkcionalizovati dodatkom različitih
aktivnih grupa, kao što su: -OH, -NH2, -NHR, -COOH, -OCCOR, -NHCOR grupe.
Posebno su zanimljiva istraživanja fulerena vezana za smanjenje toksičnih
kiseoničnih radikala adriamicina, koji predstavlja antraciklinski antibiotik koji se
koristi za lečenje akutne leukemije, Hočkinsovih i ne-Hočkinsovih limfoma,
karcinoma pluća, dojki, jajnika, materice, prostate, kao i nekih čvrstih tumor
. Molekulskim modelovanjem pokazano je u nekim istraživanjima da se sfera C60
geometrijski skoro idealno uklapa u hidrofobna mesta HIV-1 proteaze (HIVP),
jednog od ključnih proteina za životni ciklus virusa HIV-1. To je možda jedan od
mogućih puteva u budućem lečenju HIV-a
4
Komponente na bazi grafena
Grafen je skup atoma ugljenika raspoređenih u ravni debljine jednog
atoma, pri čemu su atomi gusto spakovani u rešetku oblika pčelinjih
saća.
Za razliku od njega, grafit se sastoji od velikog broja grafenskih ravni
naslaganih jedna na drugu
5
Dve osnovne električne karakteristike izdvajaju grafen od ostalih
materijala.
Prva je specifična otpornost: na sobnoj temperaturi je ρ ≈ 1 μΩcm, što je
za 35% niža otpornost od specifične otpornosti koju ima srebro i koja je do
sada bila najniža od svih poznatih otpornosti na sobnoj temperaturi.
Druga je, takođe do sada nezabeležena, izuzetno visoka pokretljivost
elektrona, koja se procenjuje na preko 100000 cm2 /Vs, a kao granična
vrednost čak na 200000 cm2 /Vs.
Kada se vrednost ove pokretljivosti uporedi sa vrednošću pokretljivosti
elektrona u silicijumu (maksimalna je 1420 cm2 /Vs) i sa do sada
najvećom pokretljivošću elektrona od 77000 cm2/Vs za koju se zna da
poseduje neki materijal (u indijum-antimonidu), vidi se kolika je prednost
grafena u odnosu na sve ostale poluprovodnike.
6
Grafen se sastoji od dva sloja dimenzionalnog ugljenika u kojima su atomi
ugljenika raspoređeni na šestougaone rešetke.
Ugljenikove nanocevčice su dobre rezerve listova grafena i gustih gomila
listova grafena, koji prave grafit.
Sam grafen ima neke posebne karakteristike – izuzetno je otporan na
habanje, odličan je toplotni provodnik i poseduje ravnotežu između
lomljivosti i rastegljivosti.
Pored toga, grafen je nepropustan za gasove, što ga čini zanimljivom
aplikacijom za vazdušne membrane.
Zbog svojih neobičnih elektronskih svojstava, grafen se, kao što je već i
napomenuto, smatra za potencijalnu zamenu silicijuma u
poloprovodničkim tehnologijama.
Umetanjem rupa specifičnih veličina i distribucija u listove grafena,
trebalo bi da bude moguće podstaći posebne elektronske karakteristike
materijala.
Zbog takvih razloga, sprovode se intenzivna ispitivanja i istraživanja širom
sveta, o sintezi i karakteristikama dvo-dimenzionalnog grafina, sličnog
polimeru7
Pored pomenutog, dobra osobina grafena je što, iako se komercijalno
teško proizvodi, lako nanosi naparavanjem, tako da je proizvodnja
komponenata sa njim kompatabilna sa tehnologijama proizvodnje
silicijumskih komponenata.
Na slici su prikazana dva tipa MOS tranzistora koja, umesto kanala od
silicijuma između sorsa i drejna, koriste grafen.
8
Dva tipa MOS tranzistora sa grafenom.
Na Univerzitetu Rajs utvrđeno je da grafen može da posluži i kao osnovni element
nove vrste memorije koja bi omogućila njen ogroman kapacitet.
Oni smatraju da bi grafenska memorija mogla da poveća kapacitet skladištenja
podataka u dvodimenzionalnoj ravni pet puta, jer se pojedinačni bitovi mogu
smestiti u strukture manje od nekoliko nanometara, za razliku od današnjih kola u
čipovima fleš memorija čiji su elementi znatno većih dimenzija.
Novi prekidači mogli bi da se kontrolišu sa dve elektrode umesto tri u sadašnjim
čipovima.
Zahvaljujući tome moći će da se prave trodimenzionalne memorije, s obzirom da
se grafenske ravni mogu naslagati, pa bi se kapacitet uvećavao sa svakim dodatim
slojem. Pošto su to u osnovi mehanički uređaji, takvi čipovi skoro da ne bi trošili
nikakvu energiju dok čuvaju podatke.
Ono po čemu bi se grafenske memorije razlikovale od drugih memorija sledeće
generacije bio bi odnos potrošnje u uključenom i isključenom stanju. Taj odnos bi
bio ogroman milion prema jedan. To znači da bi isključeno stanje držalo milioniti
deo struje u odnosu na uključeno stanje. S obzirom da postoji struja curenja i u
isključenom stanju, u ovakvim memorijama bi se moglo poređati milion
isključenih prekidača pre nego što počnu da se ponašaju kao jedan uključen, što bi
omogućilo da se realizuju mnogo moćnije strukture.
3/17/2020 NANOTEHNOLOGIJE - 2017/18 9
Komponente na bazi ugljeničnih
nanocevi
Kada se grafenska mreža savije u sićušnu cev prečnika reda nm dobija se
ugljenična nanocev.
Ovakva nanocev funkcioniše kao izuzetan provodnik dok se nalazi u
formi „žice", ali kad se na njoj napravi čvor ili delimični prelom, ponaša se
kao poluprovodnik.
Nizovi od nanocevi se mogu povezati u funkcionalne elektronske delove i
uređaje koristeći već poznate tehnologije za proizvodnju čipova.
Dakle, ugljenične nanocevi su izgrađene samo od atoma ugljenika koji su
raspoređeni u šestougaonu ravnu mrežu koja u čvorovima ima atome.
Postoje jednozidne i višezidne ugljenične nanocevi. Višezidne nanocevi se
sastoje od nekoliko koncentričnih jednozidnih nanocevi.
10
11
12
13
Osim u svetu računara očekuje se da će ugljenične nanocevi doneti
revoluciju i u raznim drugim industrijama, s obzirom da su izuzetno jake.
Glavna prednost budućeg procesora od ugljeničnih nanocevi nad
silicijumskim bila bi veličina.
Ugljenični procesor bio bi nekoliko puta manji, a samim tim i brži.
Premda istraživači trenutno imaju problema kako da slože nanocevi u
kompleksna elektronska kola, ova tehnologija ima svetlu budućnost.
Takve strukture imaju sledeća svojstva:
veličina: prečnik od 0,6 nm do 1,8 nm; dužina od 1 μm do 10 μm;
gustina: 1,33 do 1,40 g/cm 3 ;
otpornost na istezanje: najmanje 10 (ponekad i 100) puta veća od čelika;
otpornost na pritisak: dva reda veličine veća nego kod dosad najčvršćih vlakana
kevlara;
tvrdoća: oko dva puta veća od dijamanta;
elastičnost: mnogo veća nego kod metala ili ugljeničnih vlakana;
toplotna provodnost: predviđa se da je veća od 6000W/m⋅K (dijamant 3320W/m⋅K);
električna provodnost: veća od bilo kojeg drugog provodnika;
14
Sinteza Nanocevi
15
3/17/2020 NANOTEHNOLOGIJE - 2011/12 16
17
Potencijalne primene nano cevi u medicini
Regeneracija kostiju
Regeneracija neurona
Dostavljanje lekova do ćelija
Oplemenjivanje ugljeničnih nanocevi
Reakcija na zidovima nanocevi
Prvi pristup u kome se koriste reakcije adicije,
primenjuje se za vezivanje nekih organskih grupa na
zidovima i/ili vrhovima ugljeničnih nanocevi.
Kod tog pristupa jednoslojne ugljenične nanocevi
prvo se prečišćavaju i mešaju sa anilinom.
Mešanjem nanocevi se raspliću iz svežnjeva i izlažu
reaktivnom agensu.
Individualne nanocevi se kovalentno funkcio-
nalizuju da bi se sprečilo njihovo ponovno
sprezanje u svežnjeve.
Tako pripremljene nanocevi su raspoložive za
vezivanje aktivnih molekula, usled čega je njihovo
rastvaranje poboljšano.
20
Oksidacija praćena vezivanjem
karboksilnih grupa
• Kod primene ove metode, otvara se vrh cevi i kreira šupljina u zidu pomoću procesa
oksidacije u jakoj kiselini.
• Pored toga, ove šupljine, nastale oksidacijom sa karboksilnim kiselinama,
poboljšavaju rastvorljivost takvog sistema u vodi. Karboksilne grupe dopuštaju
kovalentno povezivanje sa drugim molekulima kroz amidne i estarske veze.
• Na taj način moguće je ugljeničnu nanocev konjugovati sa različitim funkcionalnim
grupama kao što su bioaktivni agensi (peptidi, proteini, nukleinske kiseline,
terapeutski agensi, kao i lekovi za lečenje kancera, itd.).
• Važna je i poboljšana rastvorljivost ugljeničnih nanocevi kako u vodi, tako i u
organskim medijumima. Prisustvo karboksilnih grupa na zidovima ugljeničnih
nanocevi smanjuje van der Waals-ove interakcije između cevi, omogućavajući
rasplitanje svežnjeva nanocevi u pojedinačne nanocevi.
Regeneracija kostiju
Dobra mehanička svojstva
Dužina 100-300nm
Širina 0.5-1.5nm
Nedostatak funkcionalnih
grupa za vezivanje Ca
Regeneracija neurona
Zahtevi:
◦ Dobra elektroprovodnost
◦ Mogućnost narastanja
Povećanje bioaktivnosti presvlačenjem nanocevi slojem biomolekula
Regeneracija neurona
Dijagnostika neuroloških poremećaja
Ugradna implanta u mozak Otkrivanje potencijalnih
uzroka Parkinsonove bolesti, paralize...
Primena CNT u procesu lečenja
Najveća primena kod tretiranja ćelija tumora
Selektivno lečenje obolelih ćelija
Komponente na bazi organskihpoluprovodnika
27
• Za plastične komponente i čipove koristili bi se organskipolimeri, jedinjenja koja sadrže nizove atoma ugljenika, koji je silicijumu "komšija" u periodnom sistemu elemenata.
• Ovi polimeri čine plastiku koja je promenljivog oblika i prirode.
• Naime, Nobelovu nagradu za hemiju 2000. godine dobili suistraživači koji su pronašli da pojedine vrste ovakveplastike provode struju.
• Skoro istovrermeno je ustanovljeno da je moguće proizvestielektroluminiscentne diode (OLED − Organic LED) i tankoslojnetranzistore (OTFT − Organic Thin Film Transistor) koristeći tankefimove različitih organskih materijala.
28
• Otkrićem polimernih provodnika i poluprovodnika, otpočela je serija razvoja novih materijala koji mogu dostići stostrukosmanjenje dimenzija komponenata, a samim tim i elektronskihkola.
• Za razliku od neorganskih poluprovodnika (npr. silicijuma), organski polimerni poluprovodnici su fleksibilniji i lakši.
• Prednost komponenata od organskih polimernih poluprovodnikau odnosu na sadašnje silicijumske komponente bila bi niskacena i jednostavnost proizvodnje, ali zbog veoma male pokretljivosti nosilaca naelektrisanja takve komponente bi se koristile za masovnu proizvodnju komponenata samo ondegde nije neophodna velika brzina njihovog rada.
• Naime, za sada, plastični tranzistor još nije dovoljno brz da bi se koristio u računarima, ali zato može da nađe primenu u širokom spektru druge elektronike, kao što je ugradnja u displeje i "smart" kartice.
29
Postoje dve klase materijala od kojih se mogu praviti organski poluprovodnici: polimerni i na bazi malih molekula.
U organske poluprovodnike na bazi malih molekula, koji mogu biti i amorfni i kristalni, spadaju takozvani aromatični ugljovodonici kao što su naftalen, antracen, tetracen, pentacen, rubren, i njihovi derivati.
U polimerne spadaju polivinil, poliacetilen i drugi.
Kristalni materijali imaju veću pokretljivost nosilaca od polimernih.
Materijali za organske poluprovodnike
Maksimalna pokretljivost nosilaca (šupljina konkretno) je eksperimentalno utvrđena u rubrenu i iznosi 40cm2s-1V-1, što je ipak manje od pokretnjivosti nosilaca u silicijumu.
Pentacen je materijal kome se poklanja najveća pažnja zbog malog energetskog procepa (0.874eV), što ga čini dobrim kandidatom za primenu u elektronskim uređajima.
Ovi materijali su u realnosti polikristali, što znači da u njima postoji veliki broj kontaktnih površina između monokristalarazličite kristalne rešetke.
Poznato je da upravo te kontaktne površine ograničavaju transportne osobine materijala ali nije poznato kako.
KRISTALNI ORGANSKI POLUPROVODNICI
Za osobine organskih poluprovodnika odgovorna je zona, koja je podeljena na dve zone - popunjenu (valentnu) i nepopunjenu * (provodnu) zonu.
Između ove dve zone nastaje energijski procep, kao sto je prikazano na slici.
Najviše popunjeno mesto u valentnoj zoni i najniže prazno mesto u provodnoj zoni se označavaju sa HOMO i LUMO, respektivno.
Molekuli nekih kristalnihorganskih poluprovodnikaprikazani su na slici.
Njihova osnovna jedinica je benzenov prsten.
Kristalni organski poluprovodnici: 1 naftalen, 2 antracen, 3 tetracen, 4 pentacen, 5 piren, 6 perilen, 7 krislen, 8 pirantren, 9 izoviolantren, 10 antraten, 11 koronen, 12 ovalin, 13 violantren, 14 p-terfenil, 15 rubren, 16 m-dinaftantren, 17 antatron, 18 m-dinaftantron, 19 violantron, 20 pirantron, 21 izoviolantron
Jedinična čelija kristalnihorganskih poluprovodnikaje uglavnom monokliničnai triklinična.
Jedinična celija kristalne rešetkeantracena(levo) i pentacena(desno)
Primer monokliničnog materijala je antracen (na slici levo), a primer trikliničnog materijala je pentacen(desno na slici).
Materijal Naftalen
temperatura topljenja (◦C) 80
tip ´celije monokliniˇcka
a (nm) 0.824
b (nm) 0.600
c (nm) 0.866
α◦ 90
β◦ 122.9
γ◦ 90
Parametri jedinične ćelije kristalne rešetke naftlena
Organski poluprovodnici doživeli su najveću komercijalizaciju u organskim svetlečim diodama u televizorima.
OLED televizori ne zahtevaju pozadinsko osvetljenje pa su znacajno tanji od LCD ili LED televizora.
Ukupna vrednost OLED ekrana na trzistu 2015. godine je projektovana na 4 440 miliona dolara.
Sto se tice primene u tranzistorima, najdalje su otišli tranzistori sa efektom polja na bazi rubrena, ostvarivši pokretljivost od 40 cm2s-1V-1.
Razvoj solarnih celija na bazi organskih poluprovodnika traje poslednjih 10-tak godina.
Za razliku od drugih tehnika, ove solarne celije stalno ostvaruju sve vecu efikasnost.
Poslednji rekord postavila je nemačka kompanija Heliatek. On iznosi 10.7% i to upravo za organske poluprovodnike na bazi malih molekula.
Postoje i organski tranzistori
na slici je prikazana najčešća arhitektura organskogtranzistora tankog filma sa elektrodama sorsa i drejnadeponovanih direktno na poluprovodnički sloj.
Funkcije ovog tranzistora slične su funkciji tipičnog ne organskog MOSFET-a
38
• Organski polimeri su veoma aktuelni u istraživačkim krugovima, jer zbog svoje praktičnosti i visokih performansi mogu da otvorepotpuno nove horizonte u nauci i dovedu do novog poglavlja u izradi, potpuno futurističkih, elektronskih uređaja (npr. digitalnog ili elektronskog papira, koji može da se baci kada se isprlja, jer je toliko jeftin i proizvodi se jednostavno, kao prilikomink-džet štampe).
• Ipak, može se reći da sva istraživanja streme ka zamenidanašnjih procesora plastičnim.
• Možda to sve za sada izgleda kao naučna fantastika, aliće organski polimeri sigurno naći svoje mesto u elektronici.
• A da li će “šestijum 8” biti izrađen od plastike, savitljiv i jeftin, još je rano da se predvidi.